高速?zèng)_擊下塊體金屬玻璃動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究

李 濤，譚多望，李 強(qiáng)，譚興春，傅 華

（中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621900）

高速?zèng)_擊下塊體金屬玻璃動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究

李 濤，譚多望，李 強(qiáng)，譚興春，傅 華

（中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621900）

塊體金屬玻璃具有極高的力學(xué)強(qiáng)度，存在潛在的軍事應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的關(guān)鍵在于認(rèn)識(shí)材料在高應(yīng)變率下的動(dòng)力學(xué)行為特性。為此，利用飛片驅(qū)動(dòng)速度可達(dá)3.5km／s的電炮加載裝置，對(duì)一種新制備的鋯基塊體金屬玻璃的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中，基于高精度DPS激光干涉儀測(cè)得的樣品／窗口界面粒子速度波剖面，獲得了新材料在應(yīng)變率約為106／s下的沖擊響應(yīng)特性參數(shù)。在加載壓力15～25GPa范圍下，確定的Hugoniot彈性極限約為2.4GPa，線性擬合得到的沖擊Hugoniot關(guān)系為Ds＝（4.4±0.1）＋（0.58±0.08）up。

塊體金屬玻璃；電炮；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；高速飛片

0 引 言

非晶合金，也稱為金屬玻璃，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一種短程有序、長(zhǎng)程無序狀態(tài)，不存在晶界、位錯(cuò)和晶體學(xué)取向效應(yīng)，其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)使之在宏觀上表現(xiàn)出一系列特殊的力學(xué)性能，如高強(qiáng)度、高硬度和高彈性極限等，被認(rèn)為是具有廣泛應(yīng)用前景的新型結(jié)構(gòu)材料。自20世紀(jì)60代年制備出來以后，非晶合金得到了廣泛的關(guān)注，在塊體材料制造成功后，已經(jīng)應(yīng)用到某些特殊領(lǐng)域。

基于非晶合金優(yōu)異的功能特性，近年來人們對(duì)其力學(xué)性能開展了大量的研究，但大多數(shù)集中在準(zhǔn)靜態(tài)加載下的變形行為及破壞規(guī)律［1-2］，對(duì)其高應(yīng)變率下的沖擊響應(yīng)特性研究較少，至今仍沒有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。Zhuang［3］、Gupta［4］和Fuping Yuan［5］等利用一維應(yīng)變實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到高應(yīng)變率下非晶合金動(dòng)態(tài)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。M.Martin［6］在測(cè)得的非晶合金沖擊波速度-粒子速度數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)曲線存在折點(diǎn)，并認(rèn)為材料發(fā)生了相變。Xi［7］結(jié)合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和自己的工作，總結(jié)了常用的Zr基非晶合金在不同的壓力范圍下，Hugoniot彈性極限大致在6～7GPa范圍內(nèi)。

為了認(rèn)識(shí)高應(yīng)變率下非晶合金的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，利用飛片驅(qū)動(dòng)速度可達(dá)3.5km／s的電炮裝置［8］，對(duì)一種新研制的鋯基非晶合金材料的動(dòng)力學(xué)行為特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中，利用電爆炸驅(qū)動(dòng)塑料飛片撞擊實(shí)現(xiàn)平面一維應(yīng)變加載，通過測(cè)得的樣品／窗口界面粒子速度波剖面，對(duì)高速?zèng)_擊下非晶合金高應(yīng)變率下的彈塑性加載行為和Hugoniot關(guān)系進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用的樣品是沈陽(yáng)金屬所新研制的鋯基非晶合金，材料主要成份包括Zr、Ti、Cu和Ni等。由于材料強(qiáng)度高，且在高溫條件下會(huì)發(fā)生非晶型轉(zhuǎn)變，實(shí)驗(yàn)樣品的加工是采用低速線切割初樣，再在控溫條件下進(jìn)行表面精細(xì)研磨，加工成Φ10mm×2mm的正式樣品，樣品材料的密度為6.0g／cm3。

實(shí)現(xiàn)樣品平面一維應(yīng)變加載的電炮裝置主要由2部分組成：能源部分和橋箔飛片組合件。能源部分包括儲(chǔ)能電容器組、充電回路和放電回路以及與之配套的觸發(fā)和控制回路等，該部分的作用是向金屬橋箔提供所需能量并使之爆炸。采用的電炮裝置的電容為56μF，最大充電電壓40k V，最大儲(chǔ)能可達(dá)45kJ。采用的橋箔為15mm×30mm×0.05mm的鋁箔，飛片為0.5mm厚的PET聚酯膜，用于飛片切割的炮膛為內(nèi)徑15mm的有機(jī)玻璃中空柱體。實(shí)驗(yàn)中，選用流體物理研究所應(yīng)用成熟的高精度全光纖位移干涉儀，也稱DPS［9］，對(duì)飛片速度和樣品在動(dòng)載下的界面速度歷史曲線進(jìn)行了精確測(cè)量。

圖1 電炮裝置實(shí)物圖Fig.1 Image of Electric Gun device

電爆炸加載下，飛片在相同充電電壓下加載速度具有很好的重復(fù)性。為了獲得不同壓力條件下的材料動(dòng)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中選擇了12、15和17k V三種充電電壓，通過DPS實(shí)測(cè)的不同位置處的飛片速度波形如圖2所示，飛片在飛行6mm時(shí)的撞靶速度分別為2.75、3.10和3.30km／s。

圖2 厚度0.5mm的PET飛片速度-位移曲線Fig.2 Velocity vs.displacement curves of PET flyers in 0.5mm thickness

電炮實(shí)驗(yàn)的樣品／窗口界面粒子速度的測(cè)試方法為：絕緣飛片經(jīng)炮筒切割，并在電爆炸高速驅(qū)動(dòng)下撞擊待測(cè)金屬樣品，樣品后端面緊貼LiF窗口，兩者之間通過薄層粘性液體排除空氣隙，放置在探針支架上的光纖探頭對(duì)準(zhǔn)樣品／窗口界面，DPS激光干涉測(cè)速系統(tǒng)通過透明窗口測(cè)量所關(guān)心界面粒子速度（見圖3）。

圖3 樣品／窗口界面粒子速度測(cè)試布局Fig.3 Measurement setup of sample／window interface particle velocity

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

反映高速?zèng)_擊下非晶合金動(dòng)力學(xué)響應(yīng)信息的樣品／窗口界面速度波剖面的3發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。界面粒子速度波剖面中，可觀測(cè)到彈性加載到屈服極限的轉(zhuǎn)變，之后材料經(jīng)歷塑性流動(dòng)后轉(zhuǎn)入快速的塑性沖擊波加載階段；在塑性沖擊波加載末端緩慢轉(zhuǎn)變到?jīng)_擊Hugoniot狀態(tài)，Hugoniot狀態(tài)持續(xù)較短脈沖后，在背側(cè)追趕稀疏波作用下逐漸卸載，相應(yīng)的粒子速度也隨之下降。

實(shí)驗(yàn)中，增加窗口波剖面測(cè)量實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的速度為窗口折射率改變后的表觀粒子速度ua，而非真實(shí)粒子速度up，因此必須進(jìn)行修正。對(duì)于單次沖擊加載的情況，文獻(xiàn)［10］給出了LiF窗口表觀速度的修正公式：

公式（1）中，粒子速度單位為m／s。由于窗口材料與樣品材料的沖擊阻抗不同，測(cè)得的樣品／窗口界面速度不等于樣品原有的粒子速度，因此必須通過阻抗匹配法把界面粒子速度換算得到相應(yīng)的樣品粒子速度。

圖4 不同充電電壓下測(cè)得的樣品／窗口界面表觀速度Fig.4 Measured sample／window interface apparent velocity under different charged voltage

基于上述方法換算得到的樣品真實(shí)粒子速度，估算的加載應(yīng)變率約為106／s。根據(jù)沖擊波理論，確定的非晶合金彈塑性轉(zhuǎn)變時(shí)的屈服強(qiáng)度，在實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)材料的Hugoniot彈性極限約為2.4GPa，低于通常的鋯基非晶合金強(qiáng)度，這可能與材料的具體配比與工藝有關(guān)。根據(jù)已知的非晶合金材料彈性縱波聲速（與一維應(yīng)變聲速相同）為5.1km／s，利用波剖面的時(shí)間間隔數(shù)據(jù)建立了彈性前驅(qū)波與塑性沖擊波的速度關(guān)聯(lián)，得到塑性沖擊波速度3發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為4.76、4.82和4.88km／s，粒子速度范圍為0.55、0.66和0.76km／s。假定沖擊波速度Ds和粒子速度up為線性關(guān)系，擬合得到的材料在較低壓力下的沖擊Hugoniot關(guān)系為：Ds＝（4.4±0.01）＋（0.58±0.08）up。其中C0＝4.4km／s與由體積模量計(jì)算得到的體波聲速Cb＝4.32km／s有較好的一致性，沖擊波速度與粒子速度關(guān)系中的斜率較文獻(xiàn)測(cè)量值（約1.0）偏低，可能是實(shí)驗(yàn)壓力范圍較窄導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差較大所引起的。

在實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，在粒子速度波形中，未觀測(cè)到非晶合金非晶型轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。據(jù)推測(cè)M.Martin［15］獲得的Hugoniot關(guān)系曲線的曲折可能是材料的高強(qiáng)度特性引起的。因?yàn)樵谥械头禌_擊壓力下，非晶合金材料中存在彈塑性雙波結(jié)構(gòu)，而Hugoniot彈性極限時(shí)壓力和粒子速度較高，可能提前導(dǎo)通用于沖擊波速度測(cè)量的電探針，此時(shí)采用電探針這種離散測(cè)量技術(shù)來確定的沖擊波速度可能介于一維應(yīng)變彈性前驅(qū)波速度和真實(shí)塑性沖擊波速度之間。當(dāng)加載幅度較低時(shí)，測(cè)量值可能接近于彈性前驅(qū)波速度；隨著加載強(qiáng)度的提高，測(cè)量值更接近真實(shí)值。由于較低壓力時(shí)彈性前驅(qū)波速度大于塑性沖擊波速度，則可能導(dǎo)致在測(cè)量值推算的Hugoniot關(guān)系曲線出現(xiàn)曲折的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

為認(rèn)識(shí)一種新研制的鋯基非晶合金材料的動(dòng)力學(xué)行為，利用電炮加載平臺(tái)，開展了材料平面一維沖擊實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）電炮實(shí)現(xiàn)了0.5mm厚塑料飛片的高速加載，目前加載的最高速度可達(dá)3.5km／s，完成了樣品高速飛片的沖擊加載，樣品加載應(yīng)變率約為106／s；

（2）基于DPS測(cè)得的樣品／窗口界面粒子速度波剖面，獲得了新材料的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括確定的Hugoniot彈性極限約為2.4GPa，線性擬合得到的沖擊Hugoniot關(guān)系為Ds＝（4.4±0.1）＋（0.58±0.08）up。

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Experimental study on dynamic response of bulk metallic glass under high velocity impact

Li Tao，Tan Duowang，Li Qiang，Tan Xingchun，F(xiàn)u Hua
（Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics，Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621900，China）

As a novel material with high strength，bulk metallic glass

concern of many researchers all over the world.For potential military applications，it was important to understand the dynamic response of this material under high strain rate.To this end，Electric Gun was chosen to study dynamic response of a newly prepared Zr-based bulk metallic glass.In the E-lectric Gun experiments，the velocity of electric explosion driven plastic flyer in 0.5 mm thickness could reach 3.5 km／s.Based on bulk metallic glass sample／window interface particle velocity profiles measured by high resolution DPS laser interferometer，two important dynamic behaviors were obtained under high strain rate about 106／s.In a shock pressure range of 15～25GPa，the Hugoniot elastic limit was determined to be about 2.4GPa，and the shock wave velocity（Ds）vs.particle velocity（up）Hugoniot data were linearly fitted byDs＝（4.4±0.1）＋（0.58±0.08）up.

bulk metallic glass；electric gun；dynamic response；high velocity flyer

O347.3；O347.5

：A

1672-9897（2014）03-0110-03doi：10.11729／syltlx2014pz25

（編輯：楊 娟）

2013-06-09；

：2013-12-25

國(guó)家自然科學(xué)基金（11072227；11272294）

LiT，TanDW，LiQ，etal.Experimentalstudyondynamicresponseofbulkmetallicglassunderhighvelocityimpact.JournalofExperimentsinFluidMechanics，2014，28（3）：110-112.李 濤，譚多望，李 強(qiáng)，等.高速?zèng)_擊下塊體金屬玻璃動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2014，28（3）：110-112.

李 濤（1978-），男，四川宜賓人，碩士，助理研究員。研究方向：爆炸力學(xué)。通信地址：四川省綿陽(yáng)市919信箱103分箱（621900）。E-mail：tedleeus＠163.com